基于无级变速的直升机变旋翼转速控制模拟方法研究

为了扩大直升机变旋翼转速变化范围,开展了基于无级变速机构的直升机/传动系统/发动机连续变旋翼转速控制模拟方法研究。基于叶素法和容积动力学方法,建立了主旋翼/发动机综合数学模型用于直升机推进系统仿真,该模型由主旋翼简化模型和涡轴发动机部件级模型组成。在主旋翼/发动机综合模型的基础上,加入了基于能量法建立的无级变速传动装置动力学模型,通过变传动比实现变旋翼转速控制模拟,通过定常来流状态下的数字仿真,分析变旋翼转速控制过程对主旋翼和发动机状态的影响。结果表明,提出的变旋翼转速控制模拟方法在保证涡轴发动机动力涡轮转速变化小于1.5%的前提下使旋翼转速连续变化25%,建立的直升机/传动系统/发动机综合模型为变旋翼转速技术的设计与验证提供了较可靠的数字仿真平台。     

基于在线滚动序列核极限学习机的涡轴发动机非线性模型预测控制

针对涡轴发动机控制系统设计,提出了1种基于在线滚动序列核极限学习机的非线性模型预测控制方法。综合考虑直升机旋翼扭矩、燃气涡轮转速、动力涡轮转速、涡轮级间温度和压气机喘振裕度等信息,设计具有较好实时性、精度和泛化能力的多输出在线滚动序列核极限学习机作为预测模型,引入预测模型输出与发动机输出的误差进行反馈校正,利用序列二次规化算法在线求解包含限制约束的预测控制问题。在某型直升机/涡轴发动机综合平台的仿真环境中进行了直升机大幅度机动飞行仿真验证,结果表明:该模型预测控制器相比于传统串级控制具有更好的控制品质,可显著降低动力涡轮转速超调/下垂量。     

涡轴发动机自适应非线性预测控制

为了实现当直升机旋翼负载变化时,尽量保持功率涡轮转速恒定,并提高系统动态品质,研究了一种针对涡轴发动机的自适应非线性预测控制(ANMPC)算法.基于涡轴发动机稳态数据和动态特性,采用递归最小二乘法(RLS)进行模型参数辨识,建立了具有在线自适应能力的涡轴发动机数值-ARX(auto regressive with external input)并联预测模型.在此基础上,通过多步输出预测和反馈校正,利用序列二次型优化(SQP)算法,进行在线滚动优化,从而获得了涡轴发动机ANMPC控制器.仿真结果表明:当旋翼负载变化时,相比于传统的串联PID(比例-积分-控制)控制器,ANMPC控制器能够使得功率涡轮转速收敛更快,超调量/下垂量更小.      

变旋翼转速飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响

为探明变旋翼转速条件下飞行控制对涡轴发动机输出响应的影响,在变旋翼转速直升机/传动机构/发动机综合仿真平台的基础上,考虑系统不确定因素的存在,提出并设计了增量式非线性动态逆飞行控制器,提高对系统的控制效果,控制器主要包括角速率控制器、姿态角控制器和航迹控制器;由于执行机构的物理限制,引入伪控制模块,以提高系统的稳定性。典型的飞行任务下的仿真结果表明：相对于增量式非线性动态逆飞行控制器而言,伪控制模块不仅可显著提升飞行控制效果,使爬升速度的超调量减小50%以上,还可有效减小动力涡轮转速的超调量9.0%左右,有助于增强发动机的动态控制品质。     

自旋动力恢复过程涡轴发动机快速响应控制律对比研究

针对直升机自旋过程中对动力快速安全恢复的问题,充分利用涡轴发动机气路中的导叶、涡轮放气控制,提出了两种涡轴发动机多回路多变量鲁棒控制规律,以实现自旋训练过程中发动机扭矩的快速响应,同时降低旋翼转子瞬态下垂量。采用保性能H2/H∞鲁棒控制算法,分别设计了基于燃油流量压气机导叶调节,以及燃油流量涡轮放气调节的具有快速响应能力的发动机转子转速控制规律,使得涡轴发动机在直升机自旋动力恢复过程中,在保证气动稳定安全的前提下,输出扭矩能够快速响应,且旋翼转子下垂量由常规燃油控制的5%下降至3%以内,并能够显著改善燃油动态特性。最后,通过数字仿真对两种控制方法进行了对比分析,得出了在工程应用中两者可能存在的优缺点。     

一种涡轴发动机系统应急状态快速响应控制方法

针对直升机应急状态下特殊快速响应需求,基于涡轮放气原理,提出了一种新的应急状态快速响应控制方法.在应急状态下,除了燃油控制外,同时将涡轮放气量作为发动机控制变量,采用多变量鲁棒方法设计了应急状态直升机/涡轴发动机三变量快速响应控制器,该综合控制方法不仅实现了直升机垂飞通道的控制,而且在保持输出功率通道稳定,即自由涡轮转速恒定的前提下,借助于涡轮放气实现了燃气涡轮转速的闭环控制,有效实现了发动机功率快速跟随能力.最后,以直升机UH-60/涡轴发动机T700综合模型为对象,仿真验证了在直升机应急状态急升-急降过程中,直升机垂飞速度、发动机自由涡轮转速以及燃气涡轮转速跟踪指令的情况,结果表明:相比传统的PID(proportional integration differential)控制,基于快速响应控制方法建立的闭环系统响应迅速,动静态品质良好,能够达到直升机应急状态的特殊设计要求.      

基于在线滚动LS-SVR的涡轴发动机混合预测控制

提出了一种串级PID+非线性模型预测控制(NMPC)的混合控制方案,用于涡轴发动机控制系统中。其中:主控制回路采用串级PID控制器以消除静差保证系统稳定;带约束优化的预测控制器则用于实时燃油补偿,以增强发动机系统对直升机功率需求的快速跟随能力。该预测控制器是基于在线预测模型实现,首先在VC环境下设计在线滚动最小二乘支持向量回归机(OSLS-SVR),在线训练高精度、实时性好的内嵌式预测模型,其测试精度可达3‰;而后利用该模型与序列二次规划(SQP)算法完成滚动优化,建立预测控制器;最后,在UH-60A直升机/T700涡轴发动机综合模型仿真环境下,通过模拟直升机大幅急速升降操作,验证了该混合预测控制方案对大扰动具有较强的抑制能力及鲁棒性,从而使直升机获得更好的机动性能。     

基于直升机/ 发动机综合模型的变旋翼转速控制研究

为了实现直升机旋翼转速在宽广范围内连续变化且涡轴发动机连续提供输出轴功率,采用1种扭矩序列转移控制方案来实现该传动链。通过2台涡轴发动机和2台多级变速器与旋翼协调工作,发动机依次连接或脱开旋翼,提供旋翼转速大范围内变化,并提供旋翼连续变化的功率。在扭矩转移过程中,针对发动机扭矩强扰动问题设计了鲁棒LMI控制器+ADRC扭矩前馈补偿控制器,最后基于直升机／发动机综合模型进行数值仿真,验证了扭矩转移方案的可行性。仿真结果表明：在转移过程中的扭矩强扰动对发动机动力涡轮转速的影响较小,旋翼转速可以实现较大范围内的快速平滑变化。     

涡轴发动机/直升机综合控制仿真平台设计

建立了UH-60直升机/T700涡轴发动机综合控制数字仿真平台。基于VC++环境开发了包含UH-60直升机/T700涡轴发动机综合实时模型的上位机程序,与运行机载涡轴发动机+旋翼实时模型及在线优化控制模式的下位机程序。两者基于TCP/IP协议实时通讯,可进行模拟实际直/发综合优化控制的数字仿真实验。在该数字仿真环境下,分别给出了提高直升机常规飞行性能的多种优化控制模式仿真、变旋翼转速优化控制以及快速功率跟随控制模式仿真,充分表明该平台可为新一代直/发综合系统的开发研制提供一个可靠的前期数字仿真验证。     

涡轴发动机非线性模型预测控制

 对涡轴发动机进行了非线性模型预测控制(NMPC)研究,设计了非线性模型预测,该控制器主要包括3个方面：预测模型、滚动优化和反馈校正。利用神经元网络模型预测涡轴发动机动态响应过程,得到预测模型;运用序列二次规划(SQP)优化算法进行发动机的在线滚动优化,得到发动机的燃油控制量;根据神经元网络模型与实际发动机对象的输出误差,对控制器的指令信号进行了反馈校正。最后进行了仿真实验,与常规串级PID控制相比较,非线性模型预测控制器的超调量从2.2%降低到0.8%,响应时间从6 s降低到2 s,具有很好的控制品质。     

A novel control method for turboshaft engine with variable rotor speed based on the Ngdot estimator through LQG/LTR and rotor predicted torque feedforward

In order to compensate for the disturbance of wide variation in rotor demanded torque on power turbine speed and realize the fast response control of turboshaft engine during variable rotor speed, a cascade PID control method based on the acceleration estimator of gas turbine speed (Ngdot) and rotor predicted torque feedforward is proposed. Firstly, a two-speed Dual Clutch Transmission (DCT) model is applied in the integrated rotor/turboshaft engine system to achieve variable rotor speed. Then, an online estimation method of Ngdot based on the Linear Quadratic Gaussian with Loop Transfer Recovery (LQG/LTR) is proposed for power turbine speed cascade control. Finally, according to the cascade PID controller based on Ngdot estimator, a rotor demanded torque predicted method based on the Min-batch Gradient Descent-Neural Network (MGD-NN) is put forward to compromise the influence of rotor torque interference. The simulation results show that compared with cascade PID controller based on Ngdot estimator and the one combined with collective pitch feedforward control, the novel control method proposed can reduce the overshoot of power turbine speed by more than 20%, which possesses faster response, superior dynamic effect and satisfactory robustness performance. The control method proposed can realize the fast response control of turboshaft engine with variable rotor speed better.     

一种直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法

为实现直升机/涡轴发动机的最经济运行,开展了直升机/发动机系统最经济旋翼转速综合优化方法研究。首先,建立简化的直升机需求功率性能计算模型与涡轴发动机性能计算模型,共同构成直升机/发动机综合系统性能计算模型;其次,围绕通过可变动力涡轮转速实现变旋翼转速方式,分别以最小直升机需求功率优化与最低发动机燃油流量为优化目标,进行最经济旋翼转速离线优化,并对比分析两种优化模式对直升机/发动机系统综合性能的影响,揭示不同工况对最经济旋翼转速的影响规律。结果表明：变动力涡轮转速下,优化直升机需求功率未必等同于优化直升机/发动机的总体性能,而桨叶固有的失速与压缩特性,会限制进一步实现直升机最经济运行的能力。此外,采用变动力涡轮转速实现变旋翼转速,几乎不影响压气机与燃气涡轮的工作线,沿着相同的工作线运行可获得更经济的直升机/发动机综合性能。     

Research on nonlinear model predictive control for turboshaft engines based on double engines torques matching

In order to reach a compromise between fast response control and torques matching control in double turboshaft engines, research on nonlinear model predictive control for turboshaft engines based on double engines torques matching is conducted. Meanwhile, a Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) method is proposed, which combines the control index of the power turbine speed with torques matching of double engines creatively. In addition to the control index, the difference of output torques between each engine is also incorporated in the objective function as a penalty term to ensure constant speed control and short torques matching time. Simulation results demonstrate that relative to unilateral torques matching, the settling time of the bidirectional matching method can be reduced by nearly 30.8%. Nevertheless, compared with the bidirectional torques matching method under the cascade PID controller, the NMPC method can decrease the overshoot of the power turbine speed by 65% and reduce the matching time by 15.5% synchronously. Besides fast response control of turboshaft engines, fast torques matching control of double engines is accomplished as well.     

基于变旋翼转速的涡轴发动机优化控制

研究了涡轴发动机/旋翼一体化优化控制问题, 分析了直升机旋翼需用功率与涡轴发动机工况的关系, 旋翼转速、旋翼总距、纵向周期变距及横向周期变距对旋翼需用功率的影响.以最小旋翼需用功率为目标函数, 用线性规划算法进行发动机/旋翼性能寻优.进行了巡航状态下变旋翼转速的涡轴发动机优化的数字仿真实验, 仿真结果表明在巡航状态应用变旋翼转速的涡轴发动机优化, 可以降低油耗1.5%～5.5%, 同时降低涡轮温度4.4～16℃, 具有实际应用价值.      

基于直升机/涡轴发动机综合仿真平台的发动机非线性模型预测控制

 基于具有可靠置信度的直升机/涡轴发动机综合仿真平台,研究了涡轴发动机带约束优化的非线性模型预测控制(NMPC)技术。首先通过设计多输出迭代约简最小二乘支持向量回归机(RRLSSVR),训练具有较好实时性、精度及泛化能力的内嵌式预测模型,在高度0~5 km、前飞速度0~75 m/s范围内模型精度达5‰。其次,考虑了扭矩、燃油流量、动力涡轮转速、燃气涡轮转速等综合信息及相关约束对控制效果的影响,利用在线序列二次规划(SQP)算法实现滚动优化控制,而后加入目标转速偏差的积分项以消除静差,保证输出恒定。最后,通过对直升机进行机动飞行大扰动仿真验证了该预测控制器对扰动的抑制能力,相比传统串级PID控制,能够显著降低动力涡轮转速下垂/超调量,达到更好的控制品质。     

基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取方法研究

以直升机性能计算方法为基础,辅以考虑尺寸效应及设计能力的涡轴发动机设计方法,建立了以直升机旋翼桨盘载荷及最大起飞功重比为特征参数的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型及基于直升机飞行性能需求的涡轴发动机设计参数选取模型。针对涡轴发动机部件/系统设计能力及直升机飞行性能需求,首先开展了给定涡轴发动机循环参数下的流量匹配计算,然后开展了涡轴发动机循环参数选取研究。研究表明,所建立的直升机/涡轴发动机性能约束分析模型、任务分析模型可实现给定飞行任务的直升机/涡轴发动机性能耦合设计;在给定涡轴发动机循环参数条件,由于尺寸效应,涡轴发动机部件效率受进口流量的影响,其设计点功率并不随流量等比例变化,从而使得直升机起飞总重呈现非等比例变化;在涡轴发动机循环参数选择时,在满足直升机飞行性能需求下,存在涡轴发动机耗油率与单位功率之间权衡下的循环参数选取,使得直升机起飞总重最小。     

基于不确定性的旋翼转速优化直升机参数设计

为了提高旋翼转速优化直升机总体参数设计质量,基于不确定性多学科设计优化方法,对旋翼转速优化直升机的参数设计进行了研究。首先对最优旋翼转速的不确定性进行分析与建模,同时也考虑了直升机加工制造、材料老化引起的不确定性因素,对比发现最优旋翼转速是旋翼转速优化直升机设计中的主要不确定性因素;然后在协同优化框架下,分别建立了直升机飞行性能、直升机重量、飞行稳定性与变转速涡轴发动机性能计算模型;最后以续航性能为系统学科,悬停性能、飞行稳定性分别作为子学科,进行多学科的不确定性优化设计,得到了3种不确定性优化设计方案。通过对比分析可以发现：第2种方案为旋翼转速优化直升机的最佳参数设计方案,该方案满足悬停需用功率低于350 kW,飞行稳定性指数小于0.8等约束条件的概率不低于95.46%,并且直升机的最大航时期望值也较大。